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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft integrierte, insbesondere umhauste Bausteine, und insbesondere Verfahren zum Bestimmen eines internen Zustands des integrierten Bausteins. Weiterhin betrifft die Erfindung Möglichkeiten zur Bestimmung einer Degradation aufgrund einer Delamination von Verbindungsflächen in einem integrierten Baustein abhängig von Messdaten.
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Technischer Hintergrund
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Eine integrierte Schaltung, beispielsweise ein Chip, wird für die praktische Anwendung in ein Gehäuse eingebettet und bildet so einen integrierten, umhausten Baustein. Dieses Gehäuse weist in der Regel einen Epoxidharzkörper auf, der auf einen sogenannten Lead-Frame aufgebracht ist und die integrierte Schaltung umschließt. Der Lead-Frame dient zur Kontaktierung der integrierten Schaltung im Inneren des Gehäuses z.B. mithilfe von Bonddrähten und weist an seiner Außenfläche Lötstellen oder Kontaktstifte auf, über die die integrierte Schaltung von außen elektrisch angesteuert werden kann.
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Um eine hohe Haltbarkeit der elektrischen Kontaktierungen zwischen dem Lead-Frame und der integrierten Schaltung bereitzustellen und eine entsprechende mechanische Robustheit bereitzustellen, ist die integrierte Schaltung mithilfe eines Klebers auf dem Lead-Frame aufgebracht. So sind die elektrischen Kontaktierungen und deren Lötstellen aufgrund der ortsfesten Anbringung der integrierten Schaltung auf dem Leadframe möglichst vor mechanischem Stress geschützt. Auch ist der das Gehäuse bildende umgebende Epoxidharzkörper auf dem Lead-Frame durch eine entsprechende stoffliche Verbindung aufgebracht, so dass der integrierte Baustein kompakt die integrierte Schaltung und die entsprechenden elektrischen Verbindungsleitungen im Inneren des integrierten Bausteins halten und schützen kann.
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Auch kann eine Delamination zwischen der integrierten Schaltung und dem Leadframe dazu führen, dass die Betriebswärme der integrierten Schaltung nicht mehr über den Leadframe abgeführt werden kann.
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Zusätzlich öffnet die Delamination Eintrittsmöglichkeiten für Feuchtigkeit, welche die Delamination weiter befördern.
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Alternativ kann integrierte Baustein auch in Form eines nackten Chips, auch Baredie genannt, ausgeführt sein, und insbesondere zusammen mit zumindest einem Teil des den Chip tragenden Substrates von einer Umhüllungsmasse umschlossen sein, insbesondere von einer Moldmasse oder einer Silikonmasse. Auch andere Umhüllungsmassen sind bekannt. Die Anbindung der Umhüllungsmasse an den nackten Chip unterliegt insbesondere im Betrieb einer Stressbelastung, wodurch die gleichbleibende, insbesondere fehlerfreie Anbindung der Umhüllungsmasse nicht grundsätzlich bis auf Lebensdauer gegeben ist.
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Somit unterliegen umhauste oder von einer Umhüllungsmasse umschlossene integrierte Bausteine während ihrer Lebensdauer einer Degradation. Eine Ursache für diese Degradation besteht in der Delamination zwischen den einzelnen Komponenten des integrierten Bausteins.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Bestimmung einer Delamination einer integrierten Schaltung in einem integrierten Baustein gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Delaminationsangabe für eine Delamination in einem integrierten Baustein vorgesehen, wobei der integrierte Baustein eine integrierte Schaltung mit darauf verteilt angeordneten Messzellen zur jeweiligen Erfassung einer elektrischen Messgröße, die eine lokale Belastung der integrierten Schaltung angibt, umfasst, mit folgenden Schritten:
- - Erfassen von Messwerten der Messgrößen als Messdaten;
- - Auswerten der Messdaten mithilfe eines datenbasierten Delaminationsmodells, das trainiert ist, um die Messdaten der Delaminationsangabe zuzuordnen.
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Delaminationen in integrierten Bausteinen treten in der Regel zwischen Grenzschichten bzw. zwischen Verbindungsflächen auf. Somit können diese zwischen dem Lead-Frame und dem Epoxidharzgehäuse bzw. der Umhüllungsmasse, dem Lead-Frame und der Klebeschicht zum Verkleben der integrierten Schaltung oder zwischen der Klebeschicht und der integrierten Schaltung auftreten. Die Delamination stellt an sich keinen elektrischen und funktionalen Ausfall des integrierten Bausteins dar. Die Delamination verändert aber das mechanische und thermische Stressverhalten und kann die Robustheit gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen reduzieren, da insbesondere die Lötstellen der elektrischen Verbindungsleitungen zwischen dem integrierten Baustein und dem Lead-Frame beansprucht werden.
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Delaminationsvorgänge sind relativ langsame Prozesse, die während der Betriebszeit stattfinden und von außen in der Regel nicht sichtbar sind. Auch sind keine Messverfahren bekannt, die in einfacher Weise den Grad der Delamination bestimmen können.
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Eine Delamination und ein Maß der Delamination in einem in Betrieb befindlichen integrierten Baustein kann nur im Labor mithilfe zerstörender Messmethodik in Form von Querschnitten nachgewiesen werden oder zerstörungsfrei mit einem Scanning Acoustic Microscope (SAM) bestimmt werden. Eine In-situ-Messung des Maßes der Delamination im verbauten Zustand des integrierten Bausteins z.B. auf einer Leiterplatte ist bisher nicht möglich.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die integrierte Schaltung mit über ihrer aktiven Fläche verteilten Messzellen zu versehen, die insbesondere zumindest eine mechanische oder thermische Belastung erfassen können. Die Messzellen stellen Detektorschaltungen dar, die dann jeweils eine Messgröße abhängig von einem mechanischen Stress oder einer Temperatur bereitstellen. Die Messzellen können von einer ebenfalls integrierten Auswertungsschaltung oder von extern über die Kontaktstellen des integrierten Bausteins ausgelesen werden.
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Befindet sich im Umfeld einer Messzelle ein Bereich, an dem eine Delamination aufgetreten ist, so ändert sich die gemessene Messgröße und kann so erkannt werden. Jedoch sind die Einflüsse auf lokale Bereiche auf den integrierten Baustein aufgrund einer Delamination komplex, so dass ein Messwert einer Messgröße in einem lokalen Bereich der integrierten Schaltung nicht ohne Weiteres als eine Delamination in diesem Bereich interpretiert werden kann. Auch lässt sich anhand einer einzelnen Messgröße auch nicht die Ausdehnung und die Form des delaminierten Bereichs bestimmen.
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Daher sind die Messzellen vorzugsweise gleichverteilt über den integrierten Baustein. Obwohl die Zusammenhänge zwischen der Delamination und der Änderungen der Messgrößen vielfältigen Einflüssen unterliegen, sind diese abbildbar. Dazu sieht das obige Verfahren vor, eine Delaminationsangabe mithilfe eines geeigneten datenbasierten Delaminationsmodells zu bestimmen.
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Die Delaminationsangabe entsprechend dem obigen Verfahren kann ein Delaminations-Anteil in Form eines Flächenanteils der integrierten Schaltung, der von der Delamination betroffen ist, eine Delaminationskarte, die ein Muster der Delamination-Flächenstruktur, an der Delamination aufgetreten ist, angibt, und/oder ein von der Delamination abhängiges Degradationsmaß, das eine Angabe zu einem durch die Delamination bestimmten Alterungszustand des integrierten Bausteins angibt, angeben.
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Die Delaminationsangabe wird mithilfe des Delaminationsmodells, das datenbasiert ausgebildet ist, bestimmt. Das Delaminationsmodell kann in Form eines neuronalen Netzes, insbesondere eines tiefen neuronalen Netzes oder eines konvolutionellen neuronalen Netzes, oder als Regressionsmodell ausgebildet sein.
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Das Delaminationsmodell wird durch die Messwerte der Messgrößen der über die Fläche der integrierten Schaltung verteilt angeordneten Messzellen ausgewertet und ordnet diesen Messdaten (alle Messwerte der Messzellen) eine Delaminationsangabe zu. Somit kann durch Auslesen der Messzellen während des Betriebs des integrierten Bausteins stets eine Delaminationsangabe ermittelt werden, woraus sich der Alterungszustand des integrierten Bausteins direkt oder indirekt ergibt.
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Auch kann durch zeitliches Nachverfolgen der Delaminationsangabe der Verlauf und die Weiterentwicklung der Delamination bestimmt werden und somit auch eine Prädiktion des weiteren Delaminationsverlaufs durchgeführt werden.
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Insbesondere kann eine Warnung signalisiert werden, wenn die Delaminationsangabe ein Auswahlkriterium erfüllt, das auf eine hohe Wahrscheinlichkeit eines baldigen Ausfalls hinweist.
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Insbesondere kann die flächige Verteilung der Messwerte mithilfe des datenbasierten Delaminationsmodells verarbeitet werden, um der flächigen Verteilung der Messwerte eine flächige Interpretation einer Delamination zuzuordnen. Aus einer so erhaltenen Delaminationskarte kann nun ein Delaminationsmaß, z.B. als Flächenanteil der Delamination an der Gesamtfläche der integrierten Schaltung, oder ein Degradationsmaß bestimmt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass aus der Delaminationsangabe ein Degradationsmaß bestimmt wird, wobei eine Warnung abhängig von dem Degradationsmaß signalisiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Warnung signalisiert werden, wenn die Delaminationsangabe ein vorgegebenes Ausfallkriterium erfüllt, das angibt, das mit einem baldigen Ausfall zu rechnen ist.
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Das Verfahren kann intern der integrierten Schaltung oder extern durch Auslesen der Messdaten aus dem integrierten Baustein ausgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Trainieren eines datenbasierten Delaminationsmodells vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Auslesen von Messzellen einer Vielzahl von integrierten Bausteinen zum Erfassen von Messgrößen von Messzellen als Messdaten, wobei die integrierten Bausteine jeweils eine integrierte Schaltung mit darauf verteilt angeordneten Messzellen zur jeweiligen Erfassung einer elektrischen Messgröße umfassen, die eine lokale Belastung der jeweiligen integrierten Schaltung angibt;
- - Bestimmen einer Delaminationsangabe,
- - Für jeden der integrierten Bausteine, Zuordnen der Delaminationsangabe zu den entsprechenden Messdaten, um Trainingsdatensätze zu erhalten;
- - Trainieren des Delaminationsmodells basierend auf den Trainingsdatensätzen.
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Somit ist ein Trainingsverfahren vorgesehen, um das Delaminationsmodell zu trainieren. Dazu werden integrierte Bausteine nach verschiedenen Lebensdauern vermessen, indem die Messwerte aus den Messzellen einer tatsächlich bestimmten Delamination zugeordnet werden. Die Delaminationen können beispielsweise als Delaminationskarte bestimmt werden, entweder durch Simulationen oder konkrete Messungen, wie beispielsweise mithilfe einer SAM-Messung oder durch zerstörende Messungen durch Schnittansichten.
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Auf diese Weise werden Trainingsdaten erzeugt, um das datenbasierte Delaminationsmodell zu trainieren. Somit kann eine Übertragungsfunktion zwischen den Messdaten aus den Messwerten der Messzellen und einer Delaminationskarte bestimmt werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass vor dem Auslesen der Messzellen die Bausteine der Vielzahl von integrierten Bausteinen für verschiedene Betriebsdauern betrieben werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die jeweilige Delaminationsangabe zum Trainieren des Delaminationsmodells mithilfe einer Simulation ermittelt wird, wobei nach dem Trainieren des Delaminationsmodells das trainierte Delaminationsmodell mit Validierungsdatensätzen validiert wird, wobei die Validierungsdatensätze für einen Teil der Vielzahl von integrierten Bausteinen aus den Messdaten zugeordneten mithilfe eines Messverfahrens bestimmten Delaminationsangaben generiert werden, insbesondere durch Auswertung von Schnittbildern oder durch eine SAM-Messung.
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Die Validierung dient dazu, festzustellen, wie gut ein Modell ungesehene Daten klassifizieren / vorhersagen und somit generalisieren kann. Das Ergebnis kann verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit verschiedener trainierter Modelle gegenüber zu stellen.
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Das Trainingsverfahren kann ein herkömmliches auf Backpropagation basierendes Trainingsverfahren umfassen.
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Ein weiterer Aspekt richtet sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Delaminationsangabe für eine Delamination in einem integrierten Baustein, wobei der integrierte Baustein eine integrierte Schaltung mit darauf verteilt angeordneten Messzellen zur jeweiligen Erfassung einer elektrischen Messgröße, die eine lokale Belastung der integrierten Schaltung angibt, umfasst, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, zum:
- - Erfassen von Messwerten der Messgrößen als Messdaten;
- - Auswerten der Messdaten mithilfe eines datenbasierten Delaminationsmodells, das trainiert ist, um die Messdaten der Delaminationsangabe zuzuordnen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch einen integrierten Baustein;
- 2 eine Draufsicht auf eine integrierte Schaltung des integrierten Bausteins mit einer möglichen Verteilung von Messzellen;
- 3 eine schematische Darstellung einer Schaltung einer Messzelle;
- 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen einer Delaminationskarte als Delaminationsangabe für einen integrierten Baustein;
- 5 eine Darstellung der Umwandlung einer Messdatenmatrix in eine Delaminationskarte durch ein Delaminationsmodell; und
- 6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Trainieren eines Delaminationsmodells zur Anwendung in dem Verfahren der 4.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen integrierten Baustein 1 mit einer integrierten Schaltung (Chip) 2, der auf einen Lead-Frame 3 mithilfe einer Klebeschicht 6 geklebt ist. Alternativ zur Klebeschicht kann auch eine Lot- oder Sinterschicht ausgebildet sein. Die integrierte Schaltung 2 ist von einem Epoxidharzgehäuse 4 umgeben, das die integrierte Schaltung 2 gemeinsam mit dem Lead-Frame 3 einkapselt. Alternativ kann der Chip in Form eines Bare-dies ausgeführt sein, wobei dieser anstelle des zuvor genannten Epoxidharzgehäuses 4 von einer Umhüllungsmasse, beispielsweise einer Moldmasse umschlossen ist. Die Moldmasse umschließt dabei auch das Lead-frame und beispielsweise zumindest einen Teil des den Chip tragenden Substrates 12. Der Lead-Frame 3 weist auf seiner nach außen weisenden Fläche Kontaktpunkte 5 zum elektrischen Verbinden mit Lötstellen auf einer nicht zum integrierten Baustein 1 gehörenden Leiterplatte 12 auf. Über eine der integrierten Schaltung 2 zugewandten Fläche des Lead-Frames 3 weist dieser Kontaktflächen 9 auf, die mit entsprechenden Kontaktflächen 7 der integrierten Schaltung über Bonddrähte 8 als elektrische Verbindungsleitungen verbunden sind. Die Bonddrähte 8 ermöglichen eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 9 des Lead-Frames 3 und den Kontaktflächen der integrierten Schaltung 2.
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In dem integrierten Baustein 1 existieren verschiedene Verbindungsflächen V, wie beispielsweise zwischen der integrierten Schaltung 2 und der Klebeschicht 6, der Klebeschicht 6 und dem Lead-Frame 3 und zwischen dem Lead-Frame 3 und dem Epoxidharzgehäuse 4. Diese Verbindungsflächen V können sich im Laufe der Betriebszeit voneinander ablösen und so die feste Fixierung der integrierten Schaltung 2 mit dem Lead-Frame 3 schwächen. Dadurch können äußere Einflüsse, wie beispielsweise mechanische und/oder thermische Einflüsse, stärkere mechanische Belastungen im Inneren des integrierten Bausteins 2 hervorrufen und dadurch die Bonddrähte 8 zwischen dem Lead-Frame 3 und der integrierten Schaltung 2 beeinträchtigen oder zerstören.
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Es ist nun, wie in 2 dargestellt, vorgesehen, Messzellen 11 über die Fläche der integrierten Schaltung zu verteilen, um lokale Belastungen, insbesondere mechanische oder thermische Belastungen, zu messen und einen entsprechenden Messwert einer Messgröße zur Verfügung zu stellen. Die so erhaltenen Messdaten können in Form einer Matrix oder einer Messdatenkarte dargestellt werden, die die Belastung der Fläche der integrierten Schaltung 2 widerspiegelt.
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Die Messdaten können aus der integrierten Schaltung 2 über die Kontaktstellen des Lead-Frames 3 ausgelesen werden und extern analysiert werden. Alternativ kann in dem integrierten Baustein 2 auch eine Auswertungseinheit 10 vorgesehen sein, die die Messdaten empfängt und mithilfe des nachfolgend beschriebenen Verfahrens eine Delaminationsangabe bereitstellt. Diese kann von der Auswertungseinheit 10 auch nach extern kommuniziert werden. In der Auswertungseinheit 10 kann alternativ die Delaminationsangabe ausgewertet werden, um ein Degradationsmaß für die integrierte Schaltung zu bestimmen und um eine entsprechende Warnung abhängig von dem Degradationsmaß zu signalisieren.
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Die Messzellen 11 können verteilt über die aktive Fläche der integrierten Schaltung angeordnet sein. Beispielsweise können in einer integrierten Schaltung zwischen 40-100 Messzellen verteilt angeordnet sein.
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3 zeigt eine Darstellung einer Messzelle 11 zur Messung einer mechanischen Belastung.
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Als dargestelltes Beispiel umfasst die Messzelle 11 einen piezoelektrischen Sensor 111, der mit einer Messeinheit 112 gekoppelt ist. Der piezoelektrische Sensor 111 stellt bei Einwirken einer mechanischen Belastung ein Spannungssignal zur Verfügung, das in der Messeinheit 112 ausgewertet wird, so dass diese eine elektrische Messgröße M bereitstellt, die der mechanischen Belastung entspricht. Die elektrische Messgröße M wird extern der Messzelle 11 bereitgestellt.
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4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen einer Delaminationsangabe basierend auf den Messdaten aus den Messzellen 11. Das Verfahren kann in der Auswertungseinheit 10, die chipintern vorgesehen ist, aber auch extern aufgeführt werden.
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In Schritt S1 werden zunächst die Messwerte der Messgrößen als Messdaten erfasst. Dies kann beispielsweise mithilfe eines geeigneten AD-Wandlers in der Auswertungseinheit 10 erfolgen, die die entsprechende elektrische Messgröße, z. B. in Form einer Spannung, eines Widerstands oder eines Stroms, ermittelt, digitalisiert und zwischenspeichert, insbesondere in Form einer Matrix (Messdatenmatrix). Die Messdatenmatrix kann dabei die flächige Verteilung der integrierten Schaltung repräsentieren.
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Mithilfe eines datenbasiertes Delaminationsmodells kann die Messdatenmatrix in Schritt S2 ausgewertet werden. Das Delaminationsmodell kann datenbasiert (datengetrieben) ausgebildet sein, z.B. in Form eines konvolutionellen neuronalen Netzes, und trainiert sein, um die Messdatenmatrix einer Delaminationsangabe zuzuordnen. Die Delaminationsangabe kann dabei als Delaminationskarte angegeben werden, die ein Muster der Delamination-Flächenstruktur, an der Delamination aufgetreten ist, angibt. 5 veranschaulicht die Umwandlung der Messdatenmatrix D in eine Delaminationskarte K durch das Delaminationsmodell.
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In alternativen Ausführungsformen kann das Delaminationsmodell die Messdatenmatrix auch einem Delaminationsmaß, einem Delaminationsflächenanteil oder einem Degradationsmaß zuordnen.
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Soll eine Delaminationskarte ausgegeben werden, ist es vorteilhaft, wenn das Delaminationsmodell in Form eines konvolutionellen neuronalen Netzes ausgebildet ist, um die Messdatenmatrix in ein matrixartiges Datenformat der Delaminationskarte umzuwandeln.
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In Schritt S3 wird die Delaminationskarte ausgewertet, um ein Degradationsmaß des integrierten Bausteins zu bestimmen, insbesondere basierend auf einem Flächenanteil, mit dem die integrierte Schaltung 2 sich bereits von dem Lead-Frame 3 gelöst hat.
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Durch Aufzeichnung historischer Entwicklungen der Delamination, insbesondere durch Extrapolation des Delaminationsanteils bzw. eines Delaminationsmaßes oder eines Degradationsmaßes, kann eine voraussichtliche verbleibende Lebensdauer des integrierten Bausteins bestimmt werden.
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In Schritt S4 kann überprüft werden, ob die Delaminationsangabe ein Ausfallkriterium erfüllt, das angibt, ob mit einem baldigen Ausfall des integrierten Bausteins 1 zu rechnen ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird in Schritt S5 eine Warnung ausgegeben, z.B. wenn der Delaminationsanteil einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt oder ein bestimmtes Degradationsmaß erreicht ist. Andernfalls (Alternative: Nein), wird das Verfahren mit Schritt S1 fortgesetzt.
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In 6 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Trainieren eines Delaminationsmodells zur Verwendung in dem Verfahren der 4 dargestellt.
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In Schritt S11 werden zunächst integrierte Bausteine 1, insbesondere gleichartige integrierte Bausteine, für verschiedene Betriebsdauern betrieben.
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In Schritt S12 werden durch Auslesen der Messzellen 11 die Messdaten erfasst und als Messdatenmatrix bereitgestellt.
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Anschließend werden in Schritt S13 die integrierten Bausteine 1 mithilfe geeigneter Messverfahren, wie beispielsweise zerstörender Messverfahren, z.B. durch Auswertung von Schnittbildern, oder mithilfe einer SAM-Messung vermessen, um eine Degradationsangabe, z.B. eine Degradationskarte, für den betreffenden Baustein 1 zu bestimmen. Auch kann die Delaminationsangabe bzw. die Delaminationkarte K durch geeignete Simulationsverfahren bestimmt werden.
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Die Messdatenmatrix wird dann der Degradationskarte zugeordnet, um einen Trainingsdatensatz zu ermitteln. Ist eine ausreichende Anzahl von Trainingsdatensätzen bestimmt, kann in Schritt S14 das Delaminationsmodell trainiert werden, so dass dieses die Messdatenmatrix der entsprechenden Delaminationsangabe/Delaminationskarte zuordnet.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Delaminationsmodell trainiert sein, die Messdatenmatrix einem Delaminationsanteil, einem Delaminationsmaß oder einem Degradationsmaß direkt zuzuordnen.
